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Calculus · real student question

Calcular el límite de ln(1 + 2^x) por ln(1 + 2/x) cuando x tiende a infinito positivo.

Question

Calcular

lim⁡x→+∞ln⁡(1+2x)ln⁡(1+2x)\lim_{x\to+\infty}\ln\left(1+2^x\right)\ln\left(1+\frac{2}{x}\right)

Step-by-step solution

  1. Identificar la indeterminación. Cuando x→+∞x\to+\infty, el primer factor ln⁡(1+2x)→+∞\ln(1+2^x)\to+\infty mientras que el segundo ln⁡(1+2x)→ln⁡1=0\ln\left(1+\tfrac{2}{x}\right)\to\ln 1=0. El producto es del tipo ∞⋅0\infty\cdot 0, así que podría converger a cualquier cosa: hay que medir un factor frente al otro.

  2. Sustituir el factor que crece por su parte dominante. Se saca 2x2^x como factor dentro del logaritmo:

    ln⁡(1+2x)=ln⁡[2x(1+2−x)]=xln⁡2+ln⁡(1+2−x)\ln(1+2^x)=\ln\left[2^x\left(1+2^{-x}\right)\right]=x\ln 2+\ln\left(1+2^{-x}\right)

    La corrección ln⁡(1+2−x)→0\ln(1+2^{-x})\to 0, así que

    ln⁡(1+2x)xln⁡2→1,es decirln⁡(1+2x)∼xln⁡2\frac{\ln(1+2^x)}{x\ln 2}\to 1,\qquad\text{es decir}\qquad \ln(1+2^x)\sim x\ln 2

    Escribir la identidad exacta en lugar de aludir a ella es lo que hace rigurosa la equivalencia.

  3. Sustituir el factor que se anula por su aproximación lineal. Con t=2x→0t=\tfrac{2}{x}\to 0, la equivalencia estándar ln⁡(1+t)∼t\ln(1+t)\sim t da

    ln⁡(1+2x)∼2x\ln\left(1+\frac{2}{x}\right)\sim\frac{2}{x}

    Esto sale directamente de lim⁡t→0ln⁡(1+t)t=1\lim_{t\to 0}\frac{\ln(1+t)}{t}=1, la derivada de ln⁡(1+t)\ln(1+t) en t=0t=0.

  4. Multiplicar las dos equivalencias. La equivalencia asintótica se conserva al multiplicar, así que

    ln⁡(1+2x)ln⁡(1+2x)∼(xln⁡2)⋅2x=2ln⁡2\ln(1+2^x)\ln\left(1+\frac{2}{x}\right)\sim (x\ln 2)\cdot\frac{2}{x}=2\ln 2

    La xx se cancela exactamente: el logaritmo crece linealmente y el otro factor decae como 1/x1/x, de modo que el producto se estabiliza en una constante finita.

  5. Concluir y evaluar.

    lim⁡x→+∞ln⁡(1+2x)ln⁡(1+2x)=2ln⁡2=ln⁡4≈1.3863\boxed{\lim_{x\to+\infty}\ln(1+2^x)\ln\left(1+\frac{2}{x}\right)=2\ln 2=\ln 4\approx 1.3863}

  6. Comprobar numéricamente la convergencia. En x=100x=100 el producto vale 1.372611.37261; en x=1000x=1000, 1.384911.38491; y en x=104x=10^4, 1.3861561.386156, acercándose poco a poco a 2ln⁡2=1.3862942\ln 2=1.386294. La aproximación es lenta (el error es del orden de 1/x1/x), que es justo lo que anticipan los términos descartados.

Answer

2ln⁡2=ln⁡4≈1.38632\ln 2=\ln 4\approx 1.3863

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